對當前高層建筑結構設計要點的探析

陳秋生

摘要：隨著社會技術的不斷發展和進步，高層建筑的設計理念和設計技術也在不斷地更新，對其設計風格也進行了積極的探索和改變，這都將推動現代高層建筑的迅速發展。高層建筑的結構設計是一項綜合性的技術工作，是建造建筑物的基礎，結構設計的優劣對建筑物的安全性、經濟性、實用性有著重要的意義。因此工程技術人員要結合專業知識、施工技術要求、地質情況、開發商設計要求等，合理設計建筑物高度和建筑結構。

關鍵詞：高層；建筑；結構；設計；要點

1.高層建筑結構設計特點

1.1水平作用是決定因素。首先，因為結構自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力及彎矩的數值，僅僅和建筑高度的一次方成正比，但是水平作用對結構產生的傾覆力矩和在豎向構件中引起的軸力，與建筑高度的兩次方成正比；另外，對一些一定高度的建筑來說，豎向荷載基本上是固定值，但作為水平作用的地震作用和風荷載卻是不確定的。

1.2結構延性成為重要設計指標。延性是指構件和結構屈服后，在承載能力不降低或基本不降低的情況下，具有足夠塑性變形能力的一種性能，一般用延性比來表示。受彎構件會隨著荷載的增加，首先受拉區混凝土出現裂縫，出現彈塑性變形，然后受拉鋼筋屈服，受壓區高度降低，受壓區混凝土被壓碎，最后導致構件被破壞。

1.3在高層建筑中，豎向荷載數值會較大，會在柱中引起很大的軸向變形，從而導致對連續梁彎矩產生一系列的影響，使連續梁中間支座處的負彎矩值變小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值變大，對預制構件的下料長度也會產生影響，這就要求依據軸向變形計算值，對下料的長短做出相應調整；另外對構件剪力和側移也會產生影響。不考慮構件豎向變形與考慮構件豎向變形相比較，計算結果會偏于不安全。

2.高層建筑結構設計要點

2.1地基與基礎設計

高層建筑結構中地基是建設施工的基礎。建筑設計師在進行高層建筑結構設計的過程中要對建筑地基進行全面了解，要對建筑結構和建筑環境進行全面分析，確保將環境和施工有效結合在一起，提高設計的可實行性。我國的建筑環境差異較大，地質情況各不相同，因此在進行設計的過程中設計人員要對地質狀況進行深入研究，確保施工順利進行。設計人員要首先對地質水位進行勘探，對地質數據、上層結構類型、使用功能、施工條件進行綜合考慮。其次要對周圍建筑環境安全進行研究，觀察建筑物沉降或傾斜狀況。最后要對建筑物設置位置及標高進行了解，對建筑施工科學性進行分析，確保施工順利進行。

2.2建筑結構受力性能

對于初始的建筑設計，建筑師考慮更多的建筑的空間組合，而不是詳細地確定其具體的結構。建筑物底面建筑空間的形式在水平方向和垂直方向的穩定性是非常重要的，因為一些建筑物是由又大又重的組合物的組成，因此結構必須能將它本身的重量傳至地面，結構的荷載總是向下作用于地面的，而在建筑設計的一個基本要求是要理清所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關系，因此在建筑設計階段的程序，必要對主要承重柱和承重墻的數量和分布的做出整體構想。

2.3水平荷載問題

施工的過程中影響建筑質量的因素主要有：垂直荷載、風力產生的水平荷載、地震抵抗力等。水平荷載對建筑質量起決定性作用。水平荷載是建筑結構設計的主要控制因素，對樓房自重及樓面自重等方面有較大影響，可以對樓房結構進行傾覆，增大了建筑豎向構件的作用力。設計人員要對水平荷載的大小和方向進行分析，對水平荷載可能導致的高層建筑結構問題進行預防和控制，加強對建筑結構的強化效果，減少水平荷載造成的建筑結構問題。

2.4建筑結構設計中的扭轉問題

建筑結構的幾何形心、剛度中心、結構重心即為建筑三心，建筑三心盡可能匯于一點，即三心合一，這是是結構設計的要求。結構的扭轉問題就是指在結構設計過程中沒有做到三心合一，在水平荷載作用下結構發生扭轉振動效應。為避免建筑物因水平荷載作用而發生的扭轉破壞，要在結構設計時選擇合理的結構形式和平面布局，盡可能地使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下，高層建筑扭轉效果的大小取決于質量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻，減輕結構的扭轉振動，使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等規則平面形式。在某些情況下，由于街景與建筑空間的限制，高層建筑不可能全部采用簡單平面形式，當需要采用不規則T形、L形、十字形等比較復雜的平面形式時，應將突出部分厚度與寬度的比值控制在規范允許的范圍之內，同時，在結構設計布局時，最大可能使建筑狀態的結構是對稱的。

2.5房屋高度、高寬超限問題

高層建筑的高寬比，是對結構剛度、整體穩定、承載能力和經濟合理性的宏觀控制。某些高層建筑房屋高度超過最大適用高度或高寬比超出規定限值，甚至個別建筑高度和高寬比均超出規定限值。在結構設計過程中，對于房屋的高度、長寬比和尺寸的復雜程度超過現行規范、規程的高層建筑，應按超限高層建筑進行設計。同時，另一點不容忽視的問題是，房屋適用高度除與結構體系類型及抗震設防烈度有關外，還與場地類別與結構是否規則等因素有關，當位于Ⅳ類場地或結構平面與豎向布置不規則時，其最大適用高度應適當降低。

2.6結構延性問題

高層建筑結構具有較好柔和性，滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”及設計要求的抗震性能目標。為了提高高層建筑結構的抗震作用，設計人員要對建筑結構塑性形變進行強化，設計滿足“強剪弱彎”、“強柱弱梁”、“強節點弱構件”，保證高層建筑在進行塑性形變的過程中仍具有較強的抵抗變形能力。要在進行高層建筑結構設計的過程中對高層建筑結構進行合理強度強化，對高層建筑邊角、高層建筑底座等部分適當加強構造措施，保證高層建筑結構具有足夠的延性，加強高層建筑的安全性和穩定性。

2.7結構選型問題

高層建筑結構施工工藝在一定程度上不僅會影響到建筑施工材料的消耗，還在很大程度上影響到工期和質量。因此在進行高層建筑結構選型的過程中，設計人員要對建筑結構體系進行全面控制，對建筑結構工藝進行合理選取。在進行選型的過程中，設計人員要對高層建筑結構平面及立面進行控制，保證將建筑結構的幾何中心、剛度中心、結構中心有效匯于一點，提高單獨結構的控制效果。要注意將建筑結構力學分析進行完善，保證建筑施工的受力效益和受力特性，對高層建筑結構選型概念階段進行設計，保證建筑施工的經濟效益。設計人員要對選型環境、工藝、施工效果等因素進行全面考慮，提高建筑結構的綜合效益，減少可能出現的工程資源消耗和工程資源浪費現象。

2.8抗震及連梁問題

在進行抗震設計的過程中，高層建筑一般不采取單純框架結構體系，常選取框架一剪力墻、剪力墻、筒體結構等完成對自身結構的加固和抗震。這種方法可以有效提高對地震的抵抗效果，提高建筑結構的經濟性。除此之外，高層建筑在進行內力和位移計算的過程中還常使用彈性剛度。彈性剛度可以有效解決連梁超筋或截面超過剪壓比的問題，提高連梁設計效果。在結構計算時，設計人員可以對連梁的剛度適當進行降低，對剛度系數進行折減。當折減后建筑結構仍不能滿足設計的需要和要求，設計人員可以適當對連梁進行內調幅，但是在實際調幅過程中要保證調幅力度低于20%。

3.結語

高層建筑在現代經濟體系中已經如此發達，結構設計的相關人員追求更加合理的力學模型和更新穎的建筑物結構形式，在這一個方向上經過高素質高知識結構的專業化人才不斷探索，我們可以期待，高層建筑在城市中的應用將變得空前廣闊。

參考文獻：

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